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        基于DIS將電磁感應(yīng)和簡(jiǎn)諧振動(dòng)相結(jié)合測(cè)量彈簧勁度系數(shù)與重力加速度

        2022-11-16 08:09:48黃朝陽(yáng)鄧浩儀李德安
        物理教學(xué)探討 2022年10期
        關(guān)鍵詞:振動(dòng)實(shí)驗(yàn)

        黃朝陽(yáng),鄧浩儀,李德安

        華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院,廣州 510006

        隨著信息時(shí)代的發(fā)展,傳感器的靈敏度、準(zhǔn)確度越來(lái)越高,實(shí)用性越來(lái)越強(qiáng),傳感器的應(yīng)用越來(lái)越普及[1]。DISLab傳感器作為我國(guó)較早推廣使用的傳感器系統(tǒng),已在我國(guó)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面廣泛應(yīng)用,使用DISLab傳感器進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn),可以更好地幫助學(xué)生理解物理概念,掌握物理規(guī)律。例如,利用DISLab電流和電壓傳感器對(duì)自感實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究[2],利用DISLab磁傳感器定量探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與磁通量變化率成正比[3],利用DISLab力傳感器驗(yàn)證簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)中的機(jī)械能守恒定律[4]。

        本文利用DISLab傳感器系統(tǒng),結(jié)合電磁感應(yīng)原理,針對(duì)豎直方向上的彈簧振子以及單擺進(jìn)行實(shí)驗(yàn),利用DISLab電壓傳感器可以測(cè)量得到彈簧振子以及單擺在做簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí),位于下方的線圈的電壓變化圖像,通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行分析得到簡(jiǎn)諧振動(dòng)的規(guī)律,利用Origin軟件對(duì)圖像進(jìn)行深入分析,可測(cè)量彈簧的勁度系數(shù)和重力加速度。

        1 實(shí)驗(yàn)原理

        將彈簧振子豎直放置,使其離開平衡位置一小段距離,彈簧振子可做簡(jiǎn)諧振動(dòng),其固有周期為

        (1)式中,T為彈簧振子做簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí)的周期,M為彈簧振子的質(zhì)量,m為彈簧的質(zhì)量,k為彈簧的勁度系數(shù)。由(1)式可得:

        觀察(2)式可以發(fā)現(xiàn),在彈簧振子做簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí),T2與成線性關(guān)系,斜率。因此,只要求出T2與所成圖像的斜率,就可以得出彈簧的勁度系數(shù)k。

        在單擺裝置中,給擺球一小初始擺角(小于5°),可近似認(rèn)為擺球做簡(jiǎn)諧振動(dòng),其固有周期為

        (3)式中,T為擺球做簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí)的周期,l為擺長(zhǎng),g為重力加速度,由(3)式可得

        觀察(4)式可以發(fā)現(xiàn),在擺球做簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí),T2與l成線性關(guān)系,斜率。因此,只要求出T2與l所成圖像的斜率,就可以得出重力加速度g。

        讓彈簧振子以及單擺擺球底部吸附磁鐵片,并在平衡位置正下方固定一個(gè)線圈。當(dāng)彈簧振子或單擺擺球做簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí),由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)生,線圈中將產(chǎn)生周期性的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),并且感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的周期與簡(jiǎn)諧振動(dòng)的周期一致。由于電壓表內(nèi)阻極大,線圈中的感應(yīng)電流極小,線圈對(duì)彈簧振子及單擺的作用可忽略不計(jì)。所以,根據(jù)(2)式和(4)式,利用 DISLab電壓傳感器采集線圈電壓的數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,可得出彈簧振子和單擺擺球做簡(jiǎn)諧振動(dòng)的周期T,利用Origin軟件對(duì)彈簧振子實(shí)驗(yàn)的T2與以及單擺實(shí)驗(yàn)的T2和l進(jìn)行線性擬合求出斜率,就可以求出彈簧的勁度系數(shù)k和重力加速度g。

        2 實(shí)驗(yàn)裝置

        彈簧振子實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,在鐵架臺(tái)上方掛上彈簧,彈簧下端連接鉤碼,鉤碼下方吸附有磁鐵片,振子下方有一個(gè)1400匝的線圈,線圈的兩個(gè)接線柱與DISLab電壓傳感器連接,最后將電壓傳感器與數(shù)據(jù)采集器相連并接入電腦。

        圖1 彈簧振子實(shí)驗(yàn)裝置及示意圖

        單擺實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示,將一端與擺球相連的擺線固定于鐵架臺(tái)上方,擺球下方吸附有磁鐵片,擺球下方有一個(gè)1400匝的線圈,線圈兩個(gè)接線柱與DISLab電壓傳感器連接,最后將電壓傳感器與數(shù)據(jù)采集器相連并接入電腦。

        圖2 單擺實(shí)驗(yàn)裝置及示意圖

        3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

        在彈簧振子實(shí)驗(yàn)中,測(cè)量彈簧的勁度系數(shù);在單擺實(shí)驗(yàn)中,測(cè)量重力加速度。分別將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值進(jìn)行比較,從而驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方法的可行性和精確性。

        3.1 測(cè)量彈簧的勁度系數(shù)

        (1)利用電子秤測(cè)出初始振子(僅吸附1片磁鐵)的質(zhì)量M1,彈簧質(zhì)量m,將彈簧豎直懸掛于鐵架臺(tái)上,在彈簧下面掛上初始振子。

        (2)在振子下方放置線圈,將線圈與DISLab電壓傳感器(量程選擇-0.20 V~2.00 V)相連,將電壓傳感器接入數(shù)據(jù)采集器,并將數(shù)據(jù)采集器接入電腦。

        (3)打開“DISLab8.0”軟件,使用“組合圖線”功能,設(shè)置橫坐標(biāo)為時(shí)間,縱坐標(biāo)為電壓,設(shè)置采樣頻率為500 Hz,并進(jìn)行調(diào)零;給予振子0.1 m的初始振幅,使彈簧振子做簡(jiǎn)諧振動(dòng),同時(shí)點(diǎn)擊DISLab“啟動(dòng)采集”按鈕,此時(shí)電壓傳感器記錄的電壓變化周期為振子做簡(jiǎn)諧振動(dòng)的周期T1。

        (4)多次增加磁鐵片數(shù)量,改變振子質(zhì)量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和測(cè)量(重復(fù)步驟3),可以得到每次增加磁鐵片數(shù)量后振子的振動(dòng)周期(圖3)。

        圖3 彈簧振子實(shí)驗(yàn)電壓傳感器數(shù)據(jù)采集圖

        3.2 測(cè)量重力加速度

        (1)將一片直徑為3 mm的小磁鐵片吸附于擺球(直徑2.5 cm)底部,將擺球懸掛于鐵架臺(tái)上方,調(diào)節(jié)初始擺長(zhǎng)為0.8 m。

        (2)在擺球下方放置線圈,將線圈與DISLab電壓傳感器(量程選擇-0.20 V~2.00 V)相連,將電壓傳感器接入數(shù)據(jù)采集器,并將數(shù)據(jù)采集器接入電腦。

        (3)打開“DISLab8.0”軟件,使用“組合圖線”功能,設(shè)置橫坐標(biāo)為時(shí)間,縱坐標(biāo)為電壓,設(shè)置采樣頻率為500 Hz,并進(jìn)行調(diào)零;給予擺球4°的初始擺角,使擺球做簡(jiǎn)諧振動(dòng),同時(shí)點(diǎn)擊DISLab“啟動(dòng)采集”按鈕,此時(shí)電壓傳感器記錄的電壓變化周期則為擺球做簡(jiǎn)諧振動(dòng)的周期。

        (4)多次增大擺長(zhǎng)長(zhǎng)度(每次增加5 cm),進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和測(cè)量(重復(fù)步驟3),可以得到每次改變擺長(zhǎng)后擺球的振動(dòng)周期(圖4)。

        圖4 單擺實(shí)驗(yàn)電壓傳感器數(shù)據(jù)采集圖

        4 數(shù)據(jù)處理

        利用DISLab電壓傳感器得到彈簧振子和單擺做簡(jiǎn)諧振動(dòng)的周期,對(duì)圖像進(jìn)行分析,同時(shí)利用Origin軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,可以計(jì)算得到彈簧的勁度系數(shù)以及當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?。在彈簧振子?shí)驗(yàn)和單擺實(shí)驗(yàn)中DISLab電壓傳感器采集到的數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

        表1 研究彈簧振子做簡(jiǎn)諧振動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

        表2 研究單擺做簡(jiǎn)諧振動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

        4.1 彈簧的勁度系數(shù)的計(jì)算

        利用Origin軟件線性擬合彈簧振子實(shí)驗(yàn)T2與的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),如圖5所示。從擬合結(jié)果可知,直線斜率 b1=14.71±0.24,R2=0.9989,故彈簧的勁度系數(shù)。彈簧的勁度系數(shù)出廠參數(shù)為k'=2.70 N/m,則彈簧的勁度系數(shù)k的計(jì)算值與出廠參數(shù)的相對(duì)偏差為Er1=0.74%,說(shuō)明計(jì)算結(jié)果可靠。

        圖5 采集彈簧振子T2與的線性擬合

        4.2 重力加速度的計(jì)算

        利用Origin軟件線性擬合單擺實(shí)驗(yàn)T2與l的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),如圖6所示。從擬合結(jié)果可知,直線斜率 b2=4.05±0.05,R2=0.9993,故重力加速度。廣州當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間'=9.78 N/m,則重力加速度g的計(jì)算值與當(dāng)?shù)刂档南鄬?duì)偏差為Er2=0.31%,說(shuō)明計(jì)算結(jié)果可靠。

        圖6 采集單擺T2與l的線性擬合

        5 結(jié)束語(yǔ)

        在對(duì)彈簧振子和單擺做簡(jiǎn)諧振動(dòng)的研究中,結(jié)合電磁感應(yīng)原理巧妙地進(jìn)行了拓展,實(shí)現(xiàn)了電磁學(xué)和力學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)合,這種跨學(xué)科領(lǐng)域進(jìn)行實(shí)驗(yàn)拓展的思路可以啟發(fā)學(xué)生思考,有助于學(xué)生進(jìn)一步理解物理概念和規(guī)律的同時(shí)發(fā)展發(fā)散性思維和提升創(chuàng)造力。另外,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中利用DISLab傳感器采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),有利于培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng),提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

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